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山東大學陳代榮教授、王挺教授 AFM：光學、力學、導電和傳感性能可調的多酸功能化離子凝膠

2023-12-29 來源：高分子科技

離子凝膠由透明、可拉伸的聚合物基底和離子液體（ILs）組成，具有優異的柔韌性、導電性、高化學穩定性，并且完全無揮發性。離子凝膠作為最先進的觸覺傳感器在人機界面、人工智能、物聯網、軟機器人等領域的應用受到了廣泛關注和研究。然而，離子凝膠在實際應用中還存在幾個有待解決的問題。首先，添加ILs能有效提高離子導電性，但高含量的ILs會使離子凝膠的力學性能變弱。其次，離子凝膠需要具有可調的特性，以滿足特定的應用需求。例如，離子凝膠的可調光學透明度可拓寬其在傳感和光學過濾方面的應用范圍，如與具有可調外觀的離子皮膚相結合。離子凝膠的可調感應特性可提高傳感器的靈敏度，以適應不同類型的應變感應。到目前為止，調控離子凝膠的光學、力學和導電特性的策略相當有限，阻礙了離子凝膠在重要領域的應用。

近日，山東大學陳代榮、王挺研究團隊通過將聚氨酯（PU）基質與離子液體（ILs）和多金屬氧酸鹽（PTA 團簇）原位復合來制備離子凝膠（PU/ILs/PTA，圖1）。PTA 團簇（4 wt%）在PU基質中起交聯劑的作用，有效地提高了離子凝膠的力學性能。有趣的是，在電刺激下，離子凝膠可以可逆地從透明氧化態調節到深藍還原態。通過PTA-聚合物相互作用的調節，PTA團簇的氧化還原態來調節離子凝膠的性質。離子凝膠的光學、力學和導電性能可以通過一個大窗口進行原位可逆的調制：光學透明度從91%降至7%（圖2），耗散能量從0.9 MJ^.m^-3增加至3.1 MJ^.m^-3，彈性模量從1.5 MPa增加至2 MPa（圖3），電導率從1.6×10^-4 S^.cm^-1提高至2.2×10 S^.cm^-1。同時，離子凝膠的傳感特性可同時進行調制。在應變傳感方面，靈敏度（GF）從2.3調到7.2；應用于壓力傳感時，靈敏度（S）從0.8 kPa^-1調到1.2 kPa^-1（圖4）。這種具有可調光學、力學和導電特性的離子凝膠可以滿足特定需求，為刺激響應型離子凝膠的設計帶來新的啟示。

圖1. PU/IL_S/PTA制備示意圖和結構表征

圖2. PU/IL_S/PTA離子凝膠電致變色表征

圖3. PU/IL_S/PTA離子凝膠力學性能表征

圖4. PU/IL_S/PTA離子凝膠導電和傳感性能表征

相關工作以“POM functionalized ionogels with tunable optical, mechanical, electrical and sensory properties”為題發表在Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202313957），山東大學博士生慕成龍為第一作者，陳代榮教授、王挺教授為論文共同通訊作者。該研究工作致謝山東省重點研發計劃（2022CXPT026）、新安化工集團有機硅前沿技術發展計劃（1190022018-13）、國家自然科學基金（21875128和22275116）等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313957

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（責任編輯：xu）

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